Смягчение воды методом ионного обмена

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

1. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ

Накипь и отложения солей на бытовой технике (например, в чайниках), белые хлопья в воде, пленка на чае и т.д. - все это показатели жесткой воды. Использование такой воды для хозяйственных целей вызывает ряд неудобств. Например, увеличивается расход мыла при стирке, медленно развариваются мясо и овощи, уменьшается срок службы бытовой техники. В настоящее время известна взаимосвязь жесткости воды и образования камней в почках. Жесткость питьевой воды по действующим стандартам должна быть не выше 7 мг-экв/л, и лишь в особых случаях допускается до 10 мг-экв/л. Для производственных целей использование жесткой воды недопустимо.

Общая жесткость воды - это совокупность свойств, обусловленных содержанием в ней ионов кальция и магния. Если концентрация этих ионов велика, то воду называют жесткой, если мала - мягкой. При большом содержании ионов магния, вода горьковата на вкус и оказывает послабляющее действие на кишечник. Различают карбонатную и некарбонатную жесткость. Карбонатная жесткость вызвана присутствием растворенных гидрокарбонатов кальция Ca(HCO₃)₂ и магния Mg(HCO₃)₂. При кипячении гидрокарбонаты разрушаются с образованием осадков малорастворимых карбонатов CaCO3, т.о. жесткость уменьшается, поэтому карбонатную жесткость называют временной. Т.о., при кипячении ионы Mg2+ и Ca2+ осаждаются в виде карбонатов. Например: Жесткость, сохраняющаяся после кипячения воды, называется постоянной или некарбонатной. Она обусловлена растворенными в воде кальциевыми и магниевыми солями сильных кислот (сульфатами и хлоридами). Жесткую воду перед употреблением умягчают.

· Первый способ - реагентный. Т.е., добавление гашеной извести и соды Na₂CO₃ (известковый способ), добавление полифосфатов.

· Второй способ - применение катионитов, т.е., синтетических ионообменных смол (фильтрование).

Ионообменные смолы

Это вещества, способные к ионному обмену при контакте с растворами электролитов. Ионообменная очистка позволяет извлекать и утилизировать широкий спектр загрязняющих веществ: тяжелые металлы, хром, нитраты и нитриты, ПАВ, цианистые соединения, радиоактивные вещества, а также умягчает и обезжелезивает воду. При этом достигается высокая степень очистки (до уровня ПДК). Кроме того иониты используются для обессоливания воды в процессе водоподготовки. Неорганические и органические иониты могут быть природными (например: цеолиты, целлюлоза, торф, древесина) и синтетическими (силикагель, сульфазол и наиболее важные ионообменные смолы).По знаку заряда обменивающихся ионов все иониты делятся на катиониты, проявляющие кислотные свойства и аниониты, обладающие основными свойствами. В зависимости от степени диссоциации ионообменные смолы могут быть сильными и слабыми. В зависимости от рода ионов, которые связаны с активными группами ионита, различают следующие его форму: для катионитов - водородную форму (H - форма) и солевую форму, когда активные группы связаны с ионами металлов (например, Na - форму, NH4 - форму), для анионитов OH - форму, Cl - форму и др.Способность ионита к полному обмену характеризуется обменной емкостью, которая равна числу его активных групп, принимающих участие в обмене. Для количественной характеристики ионообменных свойств ионитов обычно определяют их динамическую и иногда полную (общую) обменную емкость (статическую). Основные требования к ионитам, используемым для очистки воды: высокая обменная емкость, высокая скорость ионного обмена, достаточная устойчивость по отношению к кислотам, щелочам, окислителям и восстановителям, нерастворимость в воде, органических растворителях и растворах электролитов и ограниченная набухаемость. В водоподготовке в бытовых условиях часто используются сильнокислотные катиониты отечественных и импортных производителей преимущественно для умягчения и обезжелезивания воды. Пример: Состав катионита можно выразить формулой Na₂R, где Na⁺ - весьма подвижный катион. Если пропускать жесткую воду через слои катионита, то ионы натрия обмениваются на ионы кальция и магния:

жесткость вода ионнообменный смягчение

Ca ²⁺ + Na₂R = 2Na ⁺ + CaR

Mg ²⁺ + Na₂R = 2Na ⁺ + MgR

Таким образом, ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ переходят из раствора в катионит, а ионы Na+ - из катионита в раствор, и жесткость устраняется. После обеднения катионита ионами Na+ катиониты обычно регенерируют. Их выдерживают в растворе NaCl, где происходит обратное замещение - ионы Na+ переходят в катионит, а ионы Ca2+ и Mg2+ - в раствор:

CaR + 2Na + = Na2R + Ca 2+

MgR + 2Na + = Na2R + Mg 2+

После этого регенерированный катионит может быть использован для смягчения новых порций жесткой воды. Аналогично и для анионитов. На степень регенерации влияет тип ионита, состав насыщенного слоя, природа, концентрация и раствор регенерирующего вещества, температура, время контакта и расход реагентов. Восстановление обменной емкости при регенерации обычно составляет 60 - 100 %. В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются.

На практике стронций, железо и марганец оказывают на жесткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al3+) и трехвалентное железо (Fe3+) также влияют на жесткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, "вклад" в жесткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва2+).

Виды жесткости

Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния. Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

Единицы измерения

В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м3).

Один моль на кубический метр соответствует массовой концентрации эквивалентов ионов кальция (1/2 Ca2+) 20.04 г/м3 и ионов магния (1/2Mg2+) 12.153 г/м3. Числовое значение жесткости, выраженное в молях на кубический метр равно числовому значению жесткости, выраженному в миллиграмм-эквивалентах на литр (или кубический дециметр), т.е. 1моль/м3=1ммоль/л=1мг-экв/л=1мг-экв/дм3. Кроме этого в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус, ppm CaCO3.

Соотношение этих единиц жесткости представлено в следующей таблице: Примечание: один немецкий градус соответствует 10 мг/дм3 СаО или 17.86 мг/дм3 СаСО3 в воде.

Один французский градус соответствует 10 мг/дм3 СаСО3 в воде. Один американский градус соответствует 1 мг/дм3 СаСО3 в воде.

2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ

Ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий. Жесткость воды колеблется в широких пределах и существует множество типов классификаций воды по степени ее жесткости. Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са2+) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg2+) в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах - десятков граммов на один литр воды В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3)

3.ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения. Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование "мыльных шлаков" в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство "жестких" волос хорошо известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Признаком такого негативного воздействия является характерный "скрип" чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражение чувство "мылкости" после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы и прочие хитрости для восстановления той защиты кожи, которой нас и так природа. Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Адсорбционные процессы, включающие в себя как процессы чисто включающий в себя физические, так и процессы, ведущие к образованию новых химических веществ весьма разнообразны. К ним относятся и процессы ионообменной хроматографии, протекающие между ионитом и растворами электролита.

Благодаря своей универсальность и гибкости эти процессы нашли широкое применение в аналитической химии, пищевой и гидрометаллургической промышленности, в теплоэнергетике, водоподготовке и во многих других областях науки и техники, и в настоящее время вытесняют из производственной практики другие методы сорбции [1-3]. Несмотря на большой ассортимент промышленных ионитов, большинство из них, особенно, поликонденсационного типа отличаются такими низкими показателями, как низкая скорость сорбции, малая устойчивость к термическим, химическим воздействиям и др. Это ограничивает возможности и сферы их применения [4,5].

Нами получен новый монофункциональный сульфокатионит на основе взаимодействия стирола с доступным и дешевым отходом сельскохозяйственной и хлопкоочистительной промышленности.

После сульфирования стирольно-фурфурольного полимера, полученный катионит переводили в Н-форму и определяли его основные физико-химические и сорбционные свойства. Для установления функциональности и степени их диссоциации была снята кривая потенциометрического титрования (рис.1), которую снимали методом отдельных навесок катионита в Н-форме, путем контактирования раствора хлористого натрия и едкого натрия (С_исх=0.1N раствор) по методике [8].

Рис.1. Кривая потенциометрического титрования.

По достижении равновесия через 48 часов определяли рН раствора на рН-метре «рН-340». Из рис.1 видно, что кривая потенциометрического титрования характеризует катионит как монофункциональный диссоциирующий в нейтральной, слабо- и сильнощелочной средах.

Кажущаяся константа диссоциации (рК_н) ионогенных групп катионита, найденная из кривой титрования по методике [8] равна рК_н=1.8-2.2. Значение рК_н кажущейся константы диссоциации также свидетельствует, что полученный катионит относится к группе сильнокислотных ионитов.

Присутствие SO₃H-групп в структуре полученного катионита подтверждают ИК-спектры поглощения сульфированного полимера. Так SO₃H-группы в спектре сульфированного полимера характеризуются полосой поглощения в области 1200 см^-1, что согласуется с литературными данными [9] Исследование сорбционной способности сульфокатионита к ионам кальция, магния, меди, никеля проводили из 0.1N растворов СаСl₂, MgCl₂, CuSO₄ и NiSO₄. Поглощение кальция и магния определяли трилонометрически, меди йодометрически, никеля фотоколориметри-чески [10,11]. Согласно литературным данным, полимеры и ионообменники, полученные на основе производных фурана отличаются повышенной термо-химостойкостью и механической прочностью [5,6]. Основные свойства полученного сульфокатионита представлены в таблице 1.

Как известно во многих регионах нашей республики используемая в быту и на производстве вода имеет высокую жесткость, которая иногда доходит до 12 мг-экв/л вместо получаемого в соответствии с ГОСТ 2874-82 «Питьевая вода» - 2.5-7 мг-экв/л.

Таблица 1. Основные физико-химические показатели полученного сульфокатионита

Из данных таблицы 1 видно, что испытуемый катионит обладает достаточно высокими показателями величины обменной емкости по ионам кальция и магния.

В качестве объекта исследования нами была использована артезианская вода Шурчинского района Сурхандарьинской области, которая имеет жесткость 12.2 мг-экв/л. Катионитов испытывали в Н- и Na-формах.

1 гр. катионита заливали 200 мл исследуемой воды. Через 24 часа воду отделяли от катионита и определяли ее жесткость трилонометрическим методом в присутствии индикатора хромоген черный. При этом жесткость воды в Н-форме составила 4.5 мг-экв/л, а в Na-форме 2.2 мг-экв/л.

Кроме этого нами были проведены исследования по умягчению водопроводной воды имеющий жесткость 2.5 мг-экв/л. После контакта в течение 6 часов водопроводной воды с катионитом жесткость ее соответствовала при использовании катионита в:

Н-форме - 0.8 мг-экв/л;

Na-форме - 0.4 мг-экв/л.

Результаты полученных исследований свидетельствует о перспективности работы с испытуемым сульфокатионитом.

Размещено на Allbest.ru